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贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 摘要 瓜环q n 】( 葫芦脲) 作为超分子化学领域一个新的主体化合物正被越来越多的学 者所关注。通常，瓜环不溶于水、有机溶剂，仅能溶于甲酸、乙酸、盐酸等浓酸，这 在很大程度上制约了瓜环的应用及进一步研究。因此，改善瓜环溶解性成为瓜环研究 的一个重要课题。 本文基于前人和我们实验室现有的研究基础，以环己酮为原料合成了一系列溶解 性得到改善的部分环己基取代瓜环。并在此基础上就瓜环与客体作用的动力，选择部 分金属离子与吡啶系列的衍生物作为与瓜环的作用对象，利用单晶x 一射线衍射分析、 核磁共振技术、质谱技术等各种检测手段，考察了它们与瓜环相互作用的具体机理以 及所形成的自组装产物的结构特征。 我们利用合成得到的部分改性五元瓜环( d m eq 5 1 ，t r i c y hq 【5 】) 及普通五元瓜 环与k + 和s r 2 + 作用得到了三种瓜环单体不同的分子项链：普通五元瓜环与k + 配位形 成的 8 心，d m eq 【5 】分别与s r 2 + 和k + 配位形成的 7 删，t r i c y hq 【5 】与k + 形成的 1 1 删。这些晶体结构表明q 5 1 及其衍生物作为单个主体化合物用途比较小，但是 在构造超分子结构上却有很大的用途。 在本文中，我们在成功合成得到的主体化合物 朋一t r i c y hq 【6 】的基础上利用其良 好的溶解性考察了该化合物与一些有机小客体及吡啶烷基系列衍生物的作用模式并 得到了它们的晶体结构。结果表示 m - t r i c y nq 6 1 对不同的客体有不同的选择性识别 功能，例如，通过核磁共振及单晶x 一射线衍射分析，我们发现 聊一t r i c y hq 【6 】的空腔 对丙酮、1 - 4 二氧六环等有机小客体分子具有很强的识别和包结能力。 此外，本文还利用本实验室已经合成得到的单甲基六元瓜环为原料成功合成得到 了部分羟基取代单甲基六元瓜环并得到了其晶体结构。为改性瓜环的进一步研究工作 提供了很好的基础，而其意义不仅在于获得了溶解性得到改善的新型瓜环，更重要的 是建立了一种可在瓜环指定位置上引入特定基团的方法，为合成以瓜环为单元结构的 纳米管以及功能高分子材料提供有用的原料，以及将瓜环应用于药物缓试剂等方面， 进一步拓宽瓜环研究领域和范围。 关键词：环己基取代，核磁共振技术，晶体结构，分子项链，主客体，羟基 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h es e l e c t i v er e c o g n i t i o na n de x t r a c t i o no fa l k a l im e t a l si sc u r r e n t l ya n a r e ao fg r e a ti n t e r e s t f o re x a m p l e , t h er e c e n te l u c i d a t i o no ft h es t r u c t u r eo ft h e s t r e p t o m y c e s l i v i d a n sp o t a s s i u mc h a n n e lh a se n a b l e dr e s e a r c hi n t ot h es t r u c t u r e r e q u i r e m e n t so fi o nc h a n n e l st h r o u g hs y n t h e t i c m i m e t i c s c u c u r b i t u r i l so f f e ra ni d e a l p l a t f o r mf o r t h ed e s i g no f p o t a s s i u m s e l e c t i v ei o n o p h o r e sd u et ot h e i rn o v e ls t r u c t u r e i nt h et h e s i s ，w es y n t h e s i so fas e r i e so fc u c u r b i t u r i l s ( q 【n 】) d e r i v a t i v e sa n dt h e n s e l e c ts o m ea l k a l im e t a li o n sa n dc o m m o nm e t a li o n sa n ds o m eo r g a n i cg u e s t st o i n v e s t i g a t e t h e i ri n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb yu s i n gx - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s ，n m r t e c h n i q u e s ，a n ds oo n h e r e ，w eh a v eg o tt h r e e t h r e en o v e ln o n c o v a l e n tm o l e c u l a rn e c k l a c e sa n di n t e r l o c k e d n e c k l a c e s b yu s i n g t h en o r m a l q 5 】 o ri t s a l k y l - s u b s t i t u t e d d e r i v a t i v e s ， d i m e t h y l c u c u r b i t 5 u i r l ( d m eq 【5 】) ，a n dt r i c y c l o h e x y n o c u c u r b i t 5 u i r l ( t r i c y hq 5 】) w i t hk + i o n so rs r 2 + a n df o r m e ds o m en o v e lc r y s t a ls t r u c t u r e s f o re x a m p l e ，am o l e c u l a r n e c k l a c e 8 m nb a s e do nk + i o n s am o l e c u l a rn e c k l a c e 7 m nb a s e do n s r 2 + i o n sa m o l e c u l a rn e c k l a c e 【11 m nb a s e do nk + i o n s m o r e o v e r , t h e 【l1 m n sa r ei n t e r l o c k e d e a c ho t h e r t h e s ec r y s t a ls t r u c t u r e sf i r s ti n d i c a t e dt h a tq 5 】a n di t sd e r i v a t i v e sa ss i n g l e u n i t sm a yh a v el i m i t e da p p l i c a t i o n ，b u ta ss u p r a m o l e e u l a rb u i l d i n gb l o c k st h ep o s s i b i l i t i e s o nt h eo t h e rh a n d ，w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h ei n t e r a c t i o no f 【m - t r i c y hq 6 】w i t hs o m e g u e s t s s u c ha s a c e t o n e ，3 - a m i n o - 5 一p h e n y l p y r a z o l e ( a p p ) ， a n d 5 , 5 - d i m e t h y l 2 , 2 d i p y r i d y l ( 5 5 d m b p y ) ，a n d4 ，4 d i p y r i d d e r i v a t i v e s ，r e s p e c t i v e l y t h e i rc r y s t a ls t r u c t u r e s w e r ec h a r a c t e r i z e db ys i n g l e - c r y s t a lx - r a yd i f f r a c t i o n s t h ec r y s t a ls t r u c t u r e so ft h e s e h o s t - g u e s tc o m p l e x e sr e v e a l e dt h a tt h eh o s tm t r i c y hq 6 】h a das t r o n gs e l e c t i v i t yf o r d i f f e r e n tg u e s tm o l e c u l e s ，w h i c hw e r er e a d i l yi n c l u d e di nt h ec a v i t yo fm t r i c y hq 【6 】 s m a l lo r g a n i cc o m p o u n d s ，t h es u c c e s s f u ls y n t h e s i z e do fh y d r o x y lp a r t i a l l ys u b s t i t u t e d e u c u r b i t 6 u r i l si n d i c a t e dn l a tq 【n 】a n dq n 】sd e r i v a t i v e sa saf u n c t i o n a l i z e dm a t e r i a lc a n b eu s e df o ri o nc h a n n e l s ，v e s i c l e sa n d2 d p o l y m e r sa n ds oo n k e y w o r d s ：c y c l o h e x y ls u b s t i t u t e d ，1 h n m rs p e c t r o s c o p y , s i n g l e c r y s t a lx r a y d i f f r a c t i o n , n e c k l a c e s ，h o s t g u e s ti n c l u s i o nc o m p l e x ，h y d r o x y l 2- 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究在做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 豫j 敦戈、 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 超日 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 第一章前言 超分子化学，即“分子之外的化学”，按照l e h n 的定义，就是“分子组装和分子 间键的化学 ，是“c h e m i s t r yb e y o n dt h em o l e c u l e ”( l e h n ，j m 1 9 9 5 ；b a l z a n i ，ve ta 1 1 9 9 0 ；l e h n ，l e ta 1 1 9 9 6 ) 。是有关于两个或两个以上的化学物种通过分子间作用力缔 合在一起而形成的具有更高复杂性的有组织实体。它是研究超分子或分子超结构的形 成、性质及应用的化学，包括分子识别原理、受体化学、分子自组装、超分子光化学、 超分子催化化学、超分子工程学、超分子生命科学等。超分子的形成源于1 9 6 7 年 c h a r l e sp e d e r s e n 对于冠醚的偶然发现，1 9 8 7 年n o b e l 化学奖授予了c j p e d c r s e n 、 d j c r a m 和j m l e h n 三位科学家，表彰他们对超分子化学的重要贡献。 s u p r a r a o l c u l a rc h e m i s t r y 杂志的创立说明超分子化学作为化学学科的一个独立分 支，像高分子化学一样，已得到世界各国化学家的普遍认同。这也表明了超分子化学 作为当今化学研究的一个热门领域，超分子化学或主客体化学受到越来越多的关注， 其中以主体对客体的分子识别和组装是它的核心研究内容。 中国超分子科学的研究从模仿、跟踪，已发展到了自我创新的阶段，特别是在 超分子体系的反应性、层状超分子构筑、界面超分子组装、聚合物自组装体系、纳 米超分子材料等方面取得了令国际学术界瞩目的成果。瓜环( c u c u r b i t u r i l ) 正是基于 超分子化学迅猛发展的背景下，基于它结构上的特殊性，在近年来成为超分子化学 领域的又一个重要主体化合物而被众多的学者所关注，这就预示着它必将在超分子 化学领域具有广阔研究前景。本文研究的瓜环正是基于这种背景，成为近几年的热 点前沿课题。 1 1 瓜环研究现状 早在19 0 5 年b e h r e n d 等( b e h r e n d ，r e ta 1 19 0 5 ) 人就合成得到了六元“瓜环 ，但 该化合物一直没有引起人们足够的重视。f r e e m a n 和m o c k 等( f r e e m a ne ta 1 1 9 8 1 ) 人 在1 9 8 1 年重新研究了该合成反应，并确定了它的结构( k i ms ye ta 1 2 0 0 1 h o f f m a n n r e ta 1 1 9 9 4 ) 。超分子化学的创立及其迅猛发展促使人们开始对这一新型环状化合物 产生了浓厚的兴趣，科学家们开始着手于六元瓜环主客体化学方面的研究。特别是自 组装实体与超分子结构及其应用性方面的研究在1 9 9 5 年后开始有了迅速发展( f e a i n ， veo ta 1 2 0 0 1 k a r e h e r , s e ta 1 2 0 0 1 k r a s i a , t c 或a 1 2 0 0 2 ) 。在1 9 9 8 、1 9 9 9 年间， 以澳大利亚新南威尔士大学d a y 为首的研究组和南韩k i m 的研究组几乎同时发现了 3 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 聚合度分别为5 、7 、8 等其他多元瓜环( d a y ，a i e ta 1 2 0 0 0 k i m ，j e ta 1 2 0 0 0 ) ，2 0 0 0 年d a y 又报道了十元瓜环( d a y ，a i e ta 1 2 0 0 2 ) 。 獬辫瓣一 图1 - 1 五、六、八、十元瓜环的结构示意图 f i g u r e1 - 1x - r a yc r y s t a ls t r u c t u r 懿o fc u c u r b i t n u r i l sn = 5 ，6 ，8 ，10 1 2 瓜环的结构特征 从瓜环结构来看( 图1 1 ) ，瓜环是具有类似于南瓜外形的环状化合物，具有两端 开口的空腔，其两端口大小相同，端口直径小于空腔直径。现将一些瓜环的结构数 据列表如下( g i r a ，j e ta 1 2 0 0 0 ) ( 表1 1 ) 。瓜环两端口分别分布着与其结构单元数相同 的羰基氧原子，形成了阳离子键结合位点，所以能与亲水性的物质、金属离子等相 互作用；而其空腔是疏水性的，不仅可以包结有机分子，还可以根据其空腔的大小， 选择性的容纳尺寸、形状。相匹配的客体分子。另外，瓜环和冠醚、环糊精、杯芳 烃相比具有更强的结构刚性，同时还表现出较高的化学稳定性。 表1 - 1 瓜环结构参数 t a b l e1 - 1s t r u c t u r a lp a r a m e n t e r x sf o rc u c u r b i t u r i l s 1 3 瓜环的应用 根据瓜环的结构特性，可知瓜环在分子识别( m a r q u e z ，c e ta 1 2 0 0 1 ) 、化合物的捕 4 重型查兰堡圭主垡望苎塑坌! 曼茔壁垡堑型墨堡箜鱼堕墨苎丝垦堡塞 集与分离、旋光性物质的拆分、各种化学药物的吸附或缓释、催化剂乃至功能纳米材 料( b u s c h m a n n , h j e ta 1 1 9 9 2 ) 、自组装结构( b u s c h m a n n ，h j ；e ta 1 2 0 0 1 ) 以及超分子 实体( b u s c h m a n n ，h j e ta 1 2 0 0 1 ；z h a n g ，x x e ta 1 2 0 0 0 ) 等领域都将有广阔而巨大的 应用前景和发展潜力。在分子识别、超分子组装与自组装等领域，世界各国的科学家 进行了卓有成效的探索并取得了许多成就。 1 3 1 分子识别 瓜环对某些金属离子、脂肪铵离子、及其它有机分子有识别作用。b u s c h m a n n 等 ( b u s c h m a n n h j e ta 1 1 9 9 8 ) 报道了六元瓜环在水溶液中对碱金属离子、碱土金属离 子和其它阳离子的配合作用，随后，又采用饱和度溶解法研究了五元瓜环、十甲基五 元瓜环以及六元瓜环与碱金属、碱土金属、铵阳离子以及多价金属离子在水溶液中的 稳定性。 对于瓜环同系物而言，它们的结构相似，与客体作用的动力也相似。所不同的是 瓜环端口直径与笼体空腔的大小，因而与之作用客体，特别是表现在客体分子尺度是 有所不同的。不同的瓜环对具有某种结构特征的客体分子或基团有明显的选择性( 刘 思敏等，2 0 0 2 ；刘静欣等，2 0 0 4 ) 。 m o c k 等详细研究了六元瓜环与有机铵离子的相互作用( m o c k , w l e ta 1 1 9 8 6 ； 1 9 8 8 ) 。n e u g e b a u e r 等的研究了4 氨基- 4 硝基偶氮苯及4 ，4 - 二氨基偶氮苯与六元瓜环 作用形成的配合物。k a i f e r 等( w i n s t o no e ta 1 2 0 0 2 ) 使用电子吸收光谱研究表明紫精 类( 4 ，4 联吡啶) 双正离子及其正离子自由基可于七元瓜环形成非常稳定的包结配合 物。b u s h m a n n 等( b u s c h m a n n ，h j e ta 1 1 9 9 8 ) 研究表明，大小合适的众多染料可以与 六元瓜环形成稳定的包结配合物。 1 3 2 分子自组装 。 自从六元瓜环的结构确定以后，有机铵及其盐就被首先用于主客体的研究( 戴丽 萍等，2 0 0 2 ) ，对于六元瓜环与各种有机胺、长链有机二胺等的自组装主客体化合物 的热、动力学研究，m o c k 研究组以及b u s c h m a n n 研究组进行了详细的研究( f r e e m a n ， e ta 1 1 9 8 4 ；m o c k , w j e ta 1 1 9 9 0 ；b u s c h m a n r t , e ta 1 1 9 9 2 ) 。随着瓜环同系物的出现， d a y 研究组、贵州大学大环化学及超分子化学实验室分别对六、七及八元瓜环等瓜环 与碳4 至碳1 2 的长链二胺以及盐的相互作用进行了详细研究( 戴丽萍等，2 0 0 2 姚晓青 等，2 0 0 3 ) 。k i m 等将六元瓜环与精铵盐 h 3 + n ( c h 2 ) 3 n h 3 + ( c h 2 ) 4 n h 3 + ( c h 2 ) 3 n 3 + 4 c 1 7 溶 于水中一段时间后，向溶液中加入2 , 6 二甲基吡啶，将p h 值调至8 ，再加入2 ，4 - 二 5 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 硝基氟苯，则可得到如图1 2 所示的轮烷，中心轮轴两端体积大，阻止轮烷的瓜环脱 离( j e o n ，y - m e ta i 1 9 9 6 ) 。 刚西伊 刚髓谢伊 图l - 2 f i g u r e1 - 2 1 _ 3 3 分子包结 根据瓜环空腔大小的不同，可以选择不同的瓜环与t h f 、苯、环戊酮、呋喃和 二嗯烷等许多分子形成分子容器或分子胶囊，并且可以通过控制体系环境的p h 来实 现包结、释放客体分子的可逆操作。 k i m 等( g i m ，s - y e ta 1 2 0 0 1 ) 将大环( 1 ，4 ，7 ，1 0 - 四氮杂十二烷或l ，4 ，8 ，1 1 四氮杂 十四烷) 先包结入八元瓜环中，形成大环中的大环，然后加入一个过渡金属离子又可 以与内大环络合( 图l - 3 a 、b ) 。a n t h o n y 等( d a y , a i e ta 1 2 0 0 2 ) 分离得到了五元瓜环 十元瓜环，即五元瓜环包结在十元瓜环中，形成很稳定的配合物，其结构经x 射 线晶体分析确证( 图l 一3 c ) 。 图1 - 3 ( 依次为a 、b 、c ) f i g u r e1 - 3 ( a ，b 、c ) 1 _ 3 4 分子催化 瓜环适合的疏水空腔，可以改变某些化学反应速度。基于瓜环对铵离子的特殊的 专一性，m o c k 等( m o c k ，w l e ta 1 1 9 8 3 ；1 9 8 9 ) 进行了炔烃和烷基叠氮的1 ，3 偶极环 加成反应，其中所使用的炔烃和烷基叠氮均带有一个末端胺基以使它们与六元瓜环形 成稳定的配合物。这两种底物的铵离子分别与瓜环的羰基端口配位，非极性部分穿入 瓜环的空腔，从而促进了环加成反应中国北京科学院一个研究组利用八元瓜环空腔 的疏水性成功的在中性水溶液中将- n - p n - n 光催化环加成( w l l x l e ta 1 2 0 0 8 ) ( 图1 4 ) 6 贵州大学硕士学位论文 部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 一一一旦鼯 l ；il 厂、 ，一。 i 一叫j 当：肇峪 1 4 n 、y 一m b a t i h a 歙 图l - 4 f i g u r e1 - 4 1 4 改性瓜环的研究意义 与其它主体化合物冠醚、环糊精、杯芳烃相比较，瓜环在普通溶剂中的溶解性比 较差以及在其表面修饰比较困难。因此，改善瓜环的溶解性以及在瓜环表面引入活性 基团是瓜环化学研究者们的主要研究任务。从原理上来讲，存在三种不同的方法可以 在瓜环的表面引入活性基团( 图l - s ) ( k i m ，j e ta 1 2 0 0 7 ) ：1 ) 合成苷脲衍生物，即含其它 椭 一h g o u h t 冀忡 _ v 一一 口 。 湖 渊 r i l 瞻3 h 恻。一一一一一 + r 哎 图1 5 f i g u r e1 - 5 基团的二酮取代乙二酮与尿素反应生成苷脲衍生物后再与甲醛聚合反应合成得到腰 上氢原子被取代的改性瓜环( r o u t e l ) 。2 ) 用不同的醛类与苷脲聚合反应得到桥联亚 甲基上氢被相应取代基取代的改性瓜环( r o u t e 2 ) 。3 ) 直接在瓜环腰上引如取代基 ( r o u t e 3 ) 。自从六元瓜环被重新发现研究以来，瓜环研究者们在改性瓜环合成方面只 在r o u t e l 和r o u t e 3 取得了一些初步进展：如k i m 研究组报道了能溶于醇水体系的五 及六环己基取代瓜环( z h a o ，j e ta 1 2 0 0 1 ) ，但转化率极低( 图1 - 6 a ) ，最近，该研究组 按照r o u t e 3 直接在瓜环表面引入了活性基团( j o n , s yj e ta 1 2 0 0 3 ) ( 图1 - 6 b ) ： 7 贵州大学顼学位论文部分环a 基取代新型瓜环的台成及其性质研究 n a k a r n u r a 研究组合成出能溶于二甲亚砜的二苯基取代瓜环( i s o b e ，he ta l2 0 0 2 ) ，也 是反应中的副产物( 圉l 一6 c ) ，主要得到的是非取代瓜环。我们实验室利用苷脲二聚体 在合成部分取代瓜环中比较好的定位作用也成功的获得了系列溶解性得到改善的部 分取代瓜环f 图1 - 6 d ) k z h a o ，yj e ta l2 0 0 4 ) 。 b 图1 _ 6 f i g u r e1 - 6 本实验利用环己基苷脲与环己基苷脲二醚( 郑利梅等，2 0 0 5 ) ，设计了环己基苷腮 与普通苷脲环己基苷脲二醚与普通苷脲为原料，不同方法和步骤以及不同摸板试剂的 实验条件，以获取一系列取代数目不同的环己基取代瓜环合成路线。其意义不仅在于 获得了溶解性得到改善的新型瓜环，提供了一种新的合成瓜环的途径，更重要的是建 立了一种可在瓜环指定位置上引入特定基团的方法，为进一步合成以瓜环为单元结构 的纳米管蚍及功能高分子材料提供有用的原料，扩展了瓜环在主客体化学、超分子化 学等领域的研究。同时也引起瓜环研究向功能高分子材料领域扩展的思考和设想( k i m je ta l2 0 0 7 1 。 1 5 本文工作 本论文研究内容是在大量相关研究结果积累基础上提出的，是实验室承担的研究 项目的研究内容之一。在对众多q 【n 体系的研究中，初步掌握了对目标体系合成分 g 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 离的有关技术。利用核磁共振技术、x 射线单晶衍射测定等研究手段对瓜环的结构解 析及结构参数进行分析，以实现结构表征的目的。 本论文的主要工作是，合成和分离一系列性质得到改善或结构特异的环己基取代 瓜环，并进行结构表征：研究环己基取代瓜环的超分子主客体分子的作用体系的性质 等。主要内容如下： 1 5 1 环己基取代瓜环的合成 ，结合关于环己基取代瓜环的报道文献( z h a o ，j ；e ta 1 2 0 0 1 ) ，以及本实验室积累的 大量关于瓜环合成经验( 郑利梅等，2 0 0 5 ) ，提出了从环己基取代苷脲与环己基苷脲二 醚入手，与普通苷脲反应，从而得到部分环己基取代的改性瓜环的合成方案。其合成 步骤可大致分为三部分：1 ) 环己基苷脲的合成；2 ) 环己基苷脲二醚的合成；3 ) 系列 环己基取代瓜环的合成。可利用t l c 、核磁共振及质谱来跟踪反应进程。 1 5 2 取代瓜环的分离 因为要采用多步骤合成，使得最后反应产物混有大量的副产品和瓜环的同系物， 这使得改性瓜环分离的难度较大，同时必然影响其结构确定和性质研究。因此，取代 瓜环分离方法的选择和有效性将是本项目研究的一个关键所在。研究反应物的溶解 性、极性等多种性质，根据性质差异寻找不同分离方法。根据已有的普通瓜环的分离 手段，结合取代瓜环的性质差异，拟采用分离方法：a ) 重结晶法b ) 色谱分离法c ) 加 入作用客体等方法。 1 5 3 取代瓜环的结构解析 利用核磁共振技术、x 射线单晶衍射测定、质谱方法等研究工具对瓜环的结构及 结构参数进行分析。可用核磁共振推测其取代基的位置，取代数目和瓜环种类，空间 排列等信息。质谱可以得到分子量，取代基团数目，取代基可能的位置等碎片信息， 可以与核磁的方法相互佐证。培养单晶，得到单晶衍射结果，是对瓜环结构最有力的 证明。结合上述多种测试手段，最终鉴定出取代瓜环的结构。瓜环结构的解析和确定， 将对下一步性质的深入研究起指导作用。 1 5 4 取代瓜环主客体性质研究 环己基取代瓜环的溶解性发生变化，但其主体结构并没有改变的，所以瓜环与客 体作用的动力通常还是来自于：1 ) 亲水性的端口效应，即瓜环端口环绕的羰基氧通 过离子偶极相互作用来键合金属离子或有机分子的带电部分。2 ) 疏水性的笼体效应， 即瓜环以其特殊的疏水性笼状空腔，可与多种有机物发生疏水性的笼体作用，形成各 种自组装主客体包结物。3 ) 客体分子与瓜环笼体空间大小匹配，即尺寸效应。不同 q 贯州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 聚合度的瓜环提供了大小不等的端口直径和笼体空间，可适于各种大小与性质不同的 客体物质。 基于瓜环与客体作用的动力，选择金属离子、吡啶衍生物两个体系作为研究对象， 利用核磁共振、质谱、x 射线单晶衍射等方法研究和考察瓜环和多种体系客体的相互 作用情况，包括研究其包结状态、作用模式、主客体作用实体的结构特征等。并且就 改性后的环己基取代瓜环和普通瓜环，在主客体竞争方面进行研究，比较两者与同种 客体的作用情况。 1 0 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 第二章部分环己基取代瓜环的合成、表征 2 1 实验部分 2 1 i 实验主要试剂和仪器 主要试剂： 1 尿素。普通甘脲 2 环己酮、二氧化硒、l ，4 二氧六烷、多聚甲醛( 分析纯) 4 环氧甘脲( 自制) 5 浓盐酸、浓硫酸、冰乙酸、甲酸( 分析纯) 6 自制的t l c 板 7 乙醇( 分析纯) 、丙酮、甲醇( 工业) 、d m s o 8 氘代水、氘代二甲基亚砜( d m s o d 6 ) 主要仪器： d f 1 0 1 b 集热式恒温磁力搅拌器 s a r t e o r i u s b si10 s 电子天平 r e 5 2 旋转蒸发器 v r i a ni n o v a - 5 0 0 核磁共振仪 质谱仪 d o w c x5 0 w x2 ( h + 型，2 0 0 - 4 0 0 目) 层析柱 w g h 3 0 6 型双光束红外分光光度计 w g 2 0 0 3 台式干燥器 超声波震荡器离心机 2 2 环己基部分取代瓜环的合成 1 ，2 环己二酮的合成：在配有温度让，回流冷凝管和滴液漏斗的1 0 0 0m l 的三 颈烧瓶中加入5 1 4g 环己酮，由滴液漏斗内滴入8 0g 二氧化硒在1 0 0m l1 ，4 二氧六 环和3 0m l 水的溶液，加热回馏反应2 4h ，把生成的硒过滤，滤出的硒在3 0 0 m l 乙 醇溶液中加热回流3h ，过滤，滤液合并浓缩，回收6 5 c 以下的馏分，大部分是环己 酮和二氧六环，剩余的粘稠液体进行二次减压蒸馏，收集6 7 8 0 c 的馏分，得到透明 液体2 8g ，以二氧化硒计算，产率= 7 5 。环己二酮的合成路线示意图： 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 兰丝 。3 些q ， 回流 环己基取代甘脲的合成：把5 6 2 6g 环己二酮加入盛有2 0 0m l 的乙醇和5m l 浓 盐酸的1 0 0 0m l 的三颈烧瓶中，在5 0 。c 下加入含有1 0 0g 尿素的8 0 m l 水溶液，1 0 分钟后有大量白色沉淀产生，1 2h 后过滤烘干，产率6 2 2 5 。环己基取代甘脲合成 路线示意图： + 环己基取代环氧甘脲的合成：在1 0 0 0m l 的三颈烧瓶中加入5 8 8g 环己基甘脲， 4 5g 多聚甲醛，2 0 0m l 水，2 5 0m l 浓盐酸于室温下搅拌半小时后有大量沉淀产生， 生成环氧甘脲6 5 3g 。产率7 3 4 。环己基取代环氧苷脲合成路线示意图： 0 0 h 爷删晕( ￥) 环己基部分取代瓜环的合成：1 ) 在盛有浓盐酸( 6 0m l ) 的2 5 0m l 圆底烧瓶中 分别加入环己基取代苷脲二醚( 5 6 4g 2 0r e t 0 0 1 ) ，普通苷脲( 2 8 4g ，2 0r e t 0 0 1 ) ，5 0 c 搅拌2h ，在搅拌状态下加热回流2h 得到l ，3 ，5 对称环己基部分取代六元为主要产物 的系列改性瓜环。合成路线示意图： 。弋+ j 俊h a - _ - _ - _ _ _ _ - - - 9 5 1 1 2 贯州大掌硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 2 ) 在盛有浓盐酸( 6 0m l ) 的2 5 0m l 圆底烧瓶中分别加入环己基取代苷脲( 3 9 2g ， 2 0r e t 0 0 1 ) ，普通苷脲( 1 4 2 岛1 0m m 0 1 ) ，多聚甲醛( 2 吕6 6m m 0 1 ) 室温搅拌2h ，在 搅拌状态下加热回流2h 得到四个环己基部分取代六元瓜环为主要产物的系列改性瓜 环。合成路线示意图： + 怅h a - - _ - h 。_ _ _ - - 9 5 1 2 3 环己基部分取代瓜环的分离 1 ) 萃取结晶法：将混合瓜环粗产品中用蒸馏水稀释，将混合物中较易溶解的瓜 环溶出，过滤。将母夜减压旋转蒸干，加入适量蒸馏水，加热溶解，再过滤，将母 液慢慢加入到丙酮和甲醇( 4 ：1 ) 混合液中，过滤，滤液在室温下静止，三天后有大 量晶体析出，得到环己基取代数不同的五元瓜环产品，2 ) 客体结晶法：将萃取后的 滤饼用蒸馏水溶解，过滤，滤液中加入适量客体l ，4 二氧六环，室温静止，一天后 即有大量棕黄色晶体析出，晶体用稀盐酸处理后得到环己基取代数不同的六元瓜环 产品。3 ) 混合溶剂沉淀法：将用l 争二氧六环处结晶处理后的母液浓缩后用丙酮沉 淀，烘干后将固体粉末加入到蒸馏水、甘油( 1 ：4 ) 的混合溶液中至刚好能溶解完全。 室温静止数天后有白色沉淀出现，沉淀抽滤后用丙酮洗干净，即可得到环己基取代 数不同的五元瓜环产品。4 ) 薄层层析法：将o 2g 混合瓜环粗产品中加入到1m o l l 盐酸中，将混合物中较易溶解的瓜环溶出，过滤除去不溶物，溶液浓缩，点样至1 5c m x2 5t i l lt l c 板，甲酸：乙酸= 1 ：1 4 展开剂展开。碘蒸气法显色，划取不同色带， 甲酸浸泡，浓缩后得瓜环纯品。 2 4 环己基部分取代瓜环的结构表征 利用核磁共振技术、x 射线单晶衍射测定、质谱方法等研究手段对环己基取代瓜 环的结构及结构参数进行分析。核磁共振推测出取代基的位置，取代数目和瓜环种类， 空间排列等信息。从质谱中分析得到取代瓜环的分子量，取代基团数目，取代基可能 的位置等碎片信息，可以与核磁的方法相互佐证。培养单晶，x - 射线单晶衍射结果， 是对瓜环结构最有力的证明。结合上述多种测试手段，对瓜环的结构的解析和确定， 最终鉴定出取代瓜环的结构。 1 3 人争人警。 墨型奎兰堡主兰垡堡奎堡坌堑曼兰墼垡堑型墨堑塑鱼堕墨基丝堕堡壅 l 3 粤环己基取代五元瓜环t r i c y hq 1 5 1 篚j1 hn m r 谱：所得瓜环t r i c y hq 5 i 的结构已被晶体结构测定、核磁共振谱等方法所证实。图2 - 1 给出了t r i c y hq 【5 】的 1 hn m r 谱。 1 一- - 。- 一_ 。r - - 。 一 - _ 材 。 t 一l “一 图2 - 1t r i c y hq 【5 】在d 2 0 中的1 h n m r 谱图 f i g u r e2 - 11 hn m rs p e c t r u mo f t r i c y hq 5 i nd 2 0 t r i c y hq 【5 】瓜环分子中化学位移为5 6 0 的质子峰是环上亚甲基指向环内靠近羰基氧 的质子，化学位移为5 3 5 的质子峰是瓜环分子中腰上的质子，化学位移为4 1 0 的质 子峰是环上亚甲基指向环外的质子，化学位移为2 0 5 和1 2 5 的质子峰是环己基取代 、基的质子，化学位移为1 0 5 的峰是丙酮质子。 1 3 孓问位环己基取代六元m - t r i c y hq 1 6 1 的1 hn m r 谱：所得瓜环m t r i c y h q 【6 】的结构已被晶体结构测定、核磁共振谱等方法所证实。图2 2 给出了m - t r i c y hq 6 】 的1 hn m r 谱。 l8，-s4i 2 i - r 叫 - - ，一 - _ ，一- 一 l 霉” t 朋i 。譬m 图2 - 2m - t r i c y hq 【6 】在d 2 0 中的1 hn m r 谱图 f i g u r e2 - 21 hn m rs p e c t r u mo fm - t r i c y hq 6 i nd 2 0 贯州大字硕士字位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及兵性质研冗 m t r i c y hq 【6 】瓜环分子中化学位移为5 5 8 的质子峰是环上亚甲基指向环内靠近羰基 氧的质子，化学位移为5 4 0 的质子峰是瓜环分子中腰上的质子，化学位移为4 0 5 的 质子峰是环上亚甲基指向环外的质子，化学位移为2 0 5 和1 3 5 的质子峰是环己基取 代基的质子，化学位移为1 2 0 的峰是丙酮质子 2 9 3 s ，6 - 四环己基取代六元t e t r s c y hq 1 6 1 的1 hn m r 谱：所得瓜环 2 ，3 ，5 6 t e t r a c y hq 6 1 的结构已被晶体结构测定、核磁共振谱等方法所证实。图2 3 给 出了2 ，3 ，5 ，6 一t e t r a c y hq 6 】的1 hn m r 谱。 s 7 s4鲁乏i - t- 1 _ - _ - _ 一_ _ _ 一 k 嘎。一 k i t l 蔫l 。i 霉一 图2 - 3t e t r a c y hq 【6 】在d 2 0 中的1 hn m r 谱图 f i g u r e2 - 31 hn m rs p e c t r u mo f t e t r a c y hq 【6 】i nd 2 0 t e t r a c y hq 6 】瓜环分子中化学位移为5 6 0 的质子峰是环上亚甲基指向环内靠近 羰基氧的质子，化学位移为5 2 5 的质子峰是瓜环分子中腰上的质子，化学位移为4 0 5 的质子峰是环上亚甲基指向环外的质子，化学位移为2 0 5 和1 2 5 的质子峰是环己基 取代基的质子，化学位移为1 0 5 的峰是丙酮质子。以下是采用目前在结构解析中最 有效的两种方法；核磁共振技术和单晶x 射线衍射法，对所得新型瓜环进行了表征， 得到了相互映证的结果。 黔愈藏 图2 - 4 环己基取代改性瓜环的晶体结构示意图 f i g u r e2 - 4x - r a yc r y s t a ls t r u c t u r e so f c y c l o h e x y ls u b s t i t u t e dc u c u r b i t u r i l s 1 5 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 实验所得几种改性瓜环在水，甲醇溶剂中的溶解度( 表2 1 ) ： 表2 - 1 几种改性瓜环在蒸馏水，甲醇溶剂中的溶解度( g l ，2 5 c ) t a b l e2 - 1s o l u b i l i t yo f p a r t i a l l yc y c l o h e x y ls u b s t i t u t e dc u c u r b i t u r i li nw a t e ra n dm e t h a n o l 1 6 贵州大学硕士学位论文部分环己基取代新型瓜环的合成及其性质研究 第三章部分环己基取代瓜环的主客体性质研究及其晶体结构 主客体化学是超分子化学构成的重要组成部分之一，而其中的包结配合物、自组 装类轮烷以及轮烷作用实体在分子识别、分子器件设计有广泛的发展前景和潜在的应 用价值，近年来已受到国际学术界的广泛关注并成为研究热点。冠醚、环糊精、环番 等是研究得较多和较早的主体化合物，而以瓜环( c u c u r b i t n u r i l 记为q n 】) 作为轮烷 类轮烷的主体是近年来才兴起的。 在本章中，利用单晶x - 射线衍射法，得到了7 种瓜环与客体相互作用的主客体化 合物晶体结构，并详细地分析和解析了它们的结构特征。这些主客体化合物分别是： ( m - t r i c y h q 6 ) ( a c e t o n e ) 17 h 2 0 ( i ) ，【m t r i c y h q 6 ( a c e t o n e ) ( a p p ) 】c i 12 。h 2 0 ( 2 ) ， 【( m - t r i c y h q 【6 】) ( 5 5 d m b p y ) + c i 。17 h 2 0 ( 3 ) ，( m - t r i c y h q 6 ) 2 2 h 2 0 ( 4 ) ， ( 1 ，4 - d i o x a n e ) 珊一t r i c y h q 6 】) ( 4 ，4 - b p y h ) 十c 1 。19 。h